Các loại pin phổ biến trên thị trường

Tế bào hình trụ

Pin hình trụ tiếp tục là một trong những kiểu đóng gói được sử dụng rộng rãi nhất cho pin sơ cấp và thứ cấp. Ưu điểm là dễ sản xuất và có độ ổn định cơ học tốt. Ống trụ có thể chịu được áp suất bên trong cao mà không bị biến dạng.

Nhiều pin hình trụ làm từ lithium và niken có công tắc hệ số nhiệt dương (PTC). Khi tiếp xúc với dòng điện quá mức, polyme dẫn điện thông thường sẽ nóng lên và trở thành điện trở, ngăn dòng điện chạy qua và hoạt động như một lớp bảo vệ ngắn mạch. Khi hiện tượng đoản mạch được loại bỏ, PTC nguội đi và trở lại trạng thái dẫn điện.

Hầu hết các cell pin hình trụ đều có cơ chế giảm áp, và thiết kế đơn giản nhất sử dụng một lớp màng bị vỡ dưới áp suất cao. Rò rỉ và khô pin có thể xảy ra sau khi màng bị vỡ. Thiết kế được ưa chuộng là các lỗ thông hơi có thể bịt kín lại với van lò xo. Một số cell pin Li-ion tiêu dùng có thiết bị ngắt sạc (CID) có chức năng ngắt kết nối vật lý và không thể đảo ngược khi được kích hoạt đến áp suất không an toàn. Hình 1 cho thấy mặt cắt ngang của một cell pin hình trụ.

Hình 1: Mặt cắt ngang của một pin hình trụ lithium-ion [1]
Thiết kế pin hình trụ có khả năng tuần hoàn tốt, tuổi thọ dài và tiết kiệm, nhưng nặng và có mật độ đóng gói thấp do có các khoang trống.

Các ứng dụng điển hình của pin hình trụ là dụng cụ điện, thiết bị y tế, máy tính xách tay và xe đạp điện. Để cho phép các biến thể trong cùng một kích thước, các nhà sản xuất sử dụng chiều dài pin một phần, chẳng hạn như định dạng một nửa và ba phần tư, và niken-cadmium cung cấp nhiều lựa chọn pin nhất. Một số đã chuyển sang niken-kim loại-hydride, nhưng không chuyển sang lithium-ion khi loại hóa chất này thiết lập các định dạng riêng của nó. Pin 18650 được minh họa trong Hình 2 vẫn là một trong những loại pin phổ biến nhất. Các ứng dụng điển hình của pin Li-ion 18650 là dụng cụ điện, thiết bị y tế, máy tính xách tay và xe đạp điện.

Hình 2: Pin lithium-ion 18650 phổ biến [2]
Hình trụ kim loại có đường kính 18mm và chiều dài 65mm. Pin 26650 lớn hơn có đường kính 26mm

Năm 2013, 2,55 tỷ cell 18650 đã được sản xuất. Pin năng lượng ban đầu có dung lượng 2,2Ah; sau đó được thay thế bằng cell 2,8Ah. Các cell mới hiện có dung lượng 3,1Ah và sẽ tăng lên 3,4Ah vào năm 2017. Các nhà sản xuất pin đang chuẩn bị cho pin 18650 dung lượng 3,9Ah.

Pin 18650 có thể là loại pin được tối ưu hóa nhất; nó có chi phí trên mỗi Wh thấp nhất và có độ tin cậy cao. Khi người tiêu dùng chuyển sang thiết kế phẳng trên điện thoại thông minh và máy tính bảng, nhu cầu về pin 18650 đang giảm dần và Hình 3 cho thấy tình trạng dư cung đang được điều chỉnh nhờ nhu cầu của xe điện Tesla, hiện cũng đang sử dụng định dạng pin này. Tính đến cuối năm 2016, ngành công nghiệp pin lo ngại về tình trạng thiếu hụt pin để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với xe điện.

Hình 3: Cung cầu của 18650 [3]

Nhu cầu về pin 18650 lẽ ra đã đạt đỉnh vào năm 2011 nếu không có những nhu cầu mới trong lĩnh vực quân sự, y tế và máy bay không người lái, bao gồm cả xe điện Tesla. Việc chuyển sang thiết kế phẳng trong các sản phẩm tiêu dùng và định dạng lớn hơn cho hệ thống truyền động điện cuối cùng sẽ khiến pin 18650 trở nên bão hòa. Một sản phẩm mới là pin 21700.

Có những định dạng pin Li-ion hình trụ khác với kích thước 20700, 21700 và 22700. Trong khi đó, Tesla, Panasonic và Samsung đã quyết định sử dụng 21700 vì dễ sản xuất, dung lượng tối ưu và các lợi ích khác. Trong khi pin 18650 có thể tích khoảng 16cm3 ( 16ml) với dung lượng khoảng 3000mAh, thì pin 21700 có thể tích khoảng 24cm3 ( 24ml) với dung lượng lên tới 6000mAh, về cơ bản là gấp đôi dung lượng với mức tăng 50% về thể tích. Tesla Motor gọi pin 21700 mới của công ty họ là "pin có mật độ năng lượng cao nhất và cũng rẻ nhất". (Danh pháp 2170 mà Tesla ủng hộ không hoàn toàn chính xác; số 0 cuối cùng của mẫu 21700 mô tả một pin hình trụ phù hợp với tiêu chuẩn IEC.)

Pin 26650 lớn hơn với đường kính 26mm không được ưa chuộng bằng pin 18650. Pin 26650 thường được sử dụng trong các hệ thống cân bằng tải. Pin dày hơn được cho là khó chế tạo hơn pin mỏng. Việc làm pin dài hơn được ưa chuộng hơn. Ngoài ra còn có pin 26700 do E-One Moli Energy sản xuất.

Một số hệ thống axit chì cũng áp dụng thiết kế hình trụ. Được gọi là Hawker Cyclone, cell này có độ ổn định tốt hơn, dòng xả cao hơn và độ ổn định nhiệt độ tốt hơn so với thiết kế hình lăng trụ thông thường. Hawker Cyclone có định dạng riêng.

Mặc dù cell hình trụ không tận dụng hết không gian bằng cách tạo ra các khoang khí khi đặt cạnh nhau, pin 18650 vẫn có mật độ năng lượng cao hơn so với cell Li-ion dạng lăng trụ/túi. Pin 18650 3Ah cung cấp 248Ah/kg, trong khi cell túi hiện đại chỉ đạt khoảng 140Ah/kg. Mật độ năng lượng cao hơn của cell hình trụ bù đắp cho khả năng xếp chồng kém lý tưởng của nó, và không gian trống luôn có thể được sử dụng để làm mát nhằm cải thiện khả năng quản lý nhiệt.

Sự phân hủy tế bào không phải lúc nào cũng có thể ngăn ngừa được, nhưng sự sinh trưởng thì có thể. Các tế bào hình trụ thường được đặt cách nhau để ngăn chặn sự sinh trưởng nếu một tế bào cất cánh. Khoảng cách cũng giúp quản lý nhiệt. Hơn nữa, thiết kế hình trụ không thay đổi kích thước. Trong khi đó, một tế bào hình lăng trụ 5mm có thể mở rộng đến 8mm khi sử dụng và cần phải có dung sai.

Nút Pin

Pin cúc áo, còn được gọi là pin đồng xu, cho phép thiết kế nhỏ gọn trong các thiết bị di động của những năm 1980. Điện áp cao hơn được tạo ra bằng cách xếp chồng các cell pin vào một ống. Điện thoại không dây, thiết bị y tế và máy quét an ninh tại sân bay đều sử dụng loại pin này.

Mặc dù nhỏ gọn và giá thành rẻ, pin cúc áo xếp chồng đã không còn được ưa chuộng và nhường chỗ cho các loại pin thông thường hơn. Một nhược điểm của pin cúc áo là dễ bị phồng nếu sạc quá nhanh. Pin cúc áo không có lỗ thông hơi an toàn và chỉ có thể sạc được trong khoảng 10 đến 16 giờ; tuy nhiên, các thiết kế mới hơn được quảng cáo là có khả năng sạc nhanh.

Hầu hết pin cúc áo được sử dụng ngày nay đều không thể sạc lại và được tìm thấy trong các thiết bị cấy ghép y tế, đồng hồ, máy trợ thính, chìa khóa xe hơi và bộ nhớ dự phòng. Hình 4 minh họa mặt cắt ngang của pin cúc áo.

Hình 4: Tế bào nút có kích thước nhỏ, hầu hết là tế bào chính dùng cho mục đích sử dụng đơn lẻ [4]

Tế bào lăng trụ

Ra mắt vào đầu những năm 1990, pin lăng trụ hiện đại đáp ứng nhu cầu về kích thước mỏng hơn. Được đóng gói trong những bao bì thanh lịch trông giống như một hộp kẹo cao su hoặc một thanh sô cô la nhỏ, pin lăng trụ tận dụng tối ưu không gian nhờ thiết kế nhiều lớp. Các thiết kế khác được cuộn và dẹt thành một cuộn thạch giả lăng trụ. Loại pin này chủ yếu được tìm thấy trong điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay cấu hình thấp với dung lượng từ 800mAh đến 4.000mAh. Không có định dạng chung nào tồn tại và mỗi nhà sản xuất đều thiết kế riêng.

Pin lăng trụ cũng có sẵn ở dạng lớn. Được đóng gói trong vỏ nhôm hàn, các pin này cung cấp dung lượng từ 20–50Ah và chủ yếu được sử dụng cho hệ thống truyền động điện trên xe hybrid và xe điện. Hình 5 cho thấy pin lăng trụ.

Hình 5: Mặt cắt ngang của một tế bào lăng trụ [5]

Pin hình lăng trụ cải thiện khả năng sử dụng không gian và cho phép thiết kế linh hoạt, nhưng chi phí sản xuất cao hơn, hiệu quả quản lý nhiệt kém hơn và vòng đời ngắn hơn so với thiết kế hình trụ. Lưu ý là pin có thể bị phồng lên một chút.

Pin hình lăng trụ cần được bao bọc chắc chắn để đạt được độ nén. Hiện tượng phồng lên do tích tụ khí là bình thường, và cần phải có sự điều chỉnh kích thước cho phù hợp; một pin 5mm (0,2 inch) có thể tăng lên 8mm (0,3 inch) sau 500 chu kỳ. Ngừng sử dụng pin nếu độ méo mó đè vào ngăn chứa pin. Pin phồng có thể làm hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến an toàn.

Túi đựng cell pin

Pin túi cung cấp một giải pháp thiết kế pin đơn giản, linh hoạt và nhẹ. Khuyến nghị áp suất xếp chồng lên nhau nhưng phải tính đến khả năng phồng lên. Pin túi có thể cung cấp dòng điện tải cao nhưng hoạt động tốt nhất trong điều kiện tải nhẹ và sạc vừa phải.

Pin dạng túi tận dụng tối đa không gian và đạt hiệu suất đóng gói 90–95%, cao nhất trong số các bộ pin. Việc loại bỏ vỏ kim loại giúp giảm trọng lượng, nhưng pin cần được hỗ trợ và có đủ chỗ để mở rộng trong ngăn chứa pin. Pin dạng túi được sử dụng trong các ứng dụng tiêu dùng, quân sự và ô tô. Không có pin dạng túi tiêu chuẩn nào tồn tại; mỗi nhà sản xuất đều tự thiết kế pin riêng.

Hình 6: Tế bào túi [6]

Pin dạng túi thường được làm bằng Li-polymer. Các cell nhỏ phổ biến cho các ứng dụng di động đòi hỏi dòng điện tải cao, chẳng hạn như máy bay không người lái và các thiết bị giải trí. Các cell lớn hơn trong phạm vi 40Ah được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) vì số lượng cell ít hơn giúp đơn giản hóa thiết kế pin.

Mặc dù dễ xếp chồng, nhưng cần phải có biện pháp phòng ngừa phồng rộp. Trong khi các túi nhỏ hơn có thể tăng trưởng 8–10 phần trăm sau 500 chu kỳ, các tế bào lớn có thể đạt kích thước đó sau 5.000 chu kỳ. Tốt nhất là không xếp chồng các túi lên nhau mà nên đặt chúng nằm ngang, cạnh nhau hoặc chừa thêm khoảng trống giữa chúng. Tránh các cạnh sắc nhọn có thể gây áp lực lên các túi khi chúng nở ra.

Hiện tượng phồng quá mức là một vấn đề đáng lo ngại. Người dùng pin túi đã báo cáo tình trạng phồng lên đến 3% khi chạy thử một lô pin kém chất lượng. Áp suất tạo ra có thể làm nứt nắp pin, và trong một số trường hợp, làm hỏng màn hình và bảng mạch điện tử. Ngừng sử dụng pin đã phồng và không chọc thủng cell pin phồng ở gần nguồn nhiệt hoặc lửa. Khí thoát ra có thể bắt lửa. Hình 7 cho thấy một cell pin túi bị phồng.

Trước đây, chi phí sản xuất các loại pin dạng lăng trụ và dạng túi (laminate) cao hơn, nhưng chúng đang dần hội tụ với thiết kế dạng ô. Giá thành chỉ bao gồm việc sản xuất các ô trống.

Các nhà sản xuất pin châu Á dự đoán chi phí của bốn loại pin Li-ion phổ biến nhất, bao gồm 18650, 21700, pin lăng trụ và pin túi, sẽ giảm đáng kể. Pin 21700 hứa hẹn mức giảm chi phí lớn nhất qua các năm và sản xuất kinh tế, đạt mức cân bằng giá với pin túi vào năm 2025 ( Hình 9 ).

Hình 9: So sánh giá của các loại pin Li-ion [7]
Tự động hóa cho phép cân bằng giá của pin 21700 với pin túi vào năm 2025. Điều này không bao gồm bao bì trong đó pin lăng trụ và pin túi có lợi thế về chi phí.

Fraunhofer dự đoán pin 21700 và pin túi sẽ có mức tăng trưởng nhanh nhất, trong khi pin 18650 phổ biến sẽ giữ vững vị thế. Chi phí mỗi kWh không bao gồm BMS và đóng gói. Loại pin được chọn sẽ thay đổi chi phí đóng gói vì pin hình lăng trụ có thể dễ dàng xếp chồng lên nhau; pin túi có thể cần một số lực nén và pin hình trụ cần hệ thống hỗ trợ tạo ra khoảng trống. Các bộ pin lớn cho xe điện cũng bao gồm hệ thống kiểm soát khí hậu, làm tăng chi phí.

Bản tóm tắt

Với cell túi, nhà sản xuất đang cố gắng đơn giản hóa quy trình sản xuất cell bằng cách mô phỏng bao bì thực phẩm. Mỗi định dạng đều có ưu và nhược điểm như được tóm tắt dưới đây.

Pin hình trụ có năng lượng riêng cao, độ ổn định cơ học tốt và phù hợp với sản xuất tự động. Thiết kế pin cho phép bổ sung các tính năng an toàn mà các định dạng khác không có pin có chu kỳ tốt, tuổi thọ dài và chi phí thấp, nhưng mật độ đóng gói không lý tưởng. Pin hình trụ thường được sử dụng cho các ứng dụng di động.
Pin hình lăng trụ được bọc trong nhôm hoặc thép để đảm bảo độ ổn định. Dù được cán mỏng hoặc xếp chồng, pin này tiết kiệm không gian nhưng chi phí sản xuất có thể cao hơn pin hình trụ. Pin hình lăng trụ hiện đại được sử dụng trong hệ thống truyền động điện và lưu trữ năng lượng.
Pin túi sử dụng kiến ​​trúc nhiều lớp trong túi. Pin túi nhẹ và tiết kiệm chi phí, nhưng việc tiếp xúc với độ ẩm và nhiệt độ cao có thể làm giảm tuổi thọ. Việc bổ sung áp suất chồng nhẹ giúp kéo dài tuổi thọ pin bằng cách ngăn ngừa hiện tượng tách lớp. Cần cân nhắc đến độ phồng 8–10% sau 500 chu kỳ với một số thiết kế pin. Pin lớn hoạt động tốt nhất với tải nhẹ và thời gian sạc vừa phải. Pin túi ngày càng phổ biến và có các ứng dụng tương tự như pin lăng trụ.